Трение и смазка.
Часть 1. Основные определения

Для грамотной эксплуатации и продления срока службы современных поршневых двигателей следует осознанно подбирать и использовать смазочные материалы. Неразборчивость и экономия могут обойтись дороже. К сожалению, имеющаяся информация о смазочных материалах носит, в основном, рекламный характер, поэтому потребителю бывает трудно разобраться в обилии представленных товаров (моторных масел на нашем рынке насчитывается более 100 наименований). Вначале рассмотрим основные понятия и проблемы трения, износа и смазки.

Трение (внешнее) — явление сопротивления относительному перемещению, возникающее в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним.

Сила трения — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между двумя телами.

Коэффициент трения — отношение силы трения между двумя телами к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

По характеру взаимного перемещения трущихся поверхностей деталей различают трение покоя (трение двух тел при предварительном их смещении) и трение движения (трение двух тел, находящихся в относительном движении). Трение движения, в свою очередь, по характеру движения делится на трение скольжения и трение качения, а по наличию (отсутствию) смазочного материала — на трение без смазки, граничное и жидкостное.

Трение скольжения — трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел в точках касания различны по значению и (или) направлению.

Трение качения — трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел одинаковы по значению и направлению, по крайней мере, в одной точке зоны контакта. Сила трения качения примерно на порядок меньше силы трения скольжения несмазанных поверхностей. Это свойство используется в подшипниках качения (шарик или ролик соприкасаются с поверхностью в точке или по линии).

Трение качения с проскальзыванием — трение движения двух соприкасающихся тел при одновременном трении качения и скольжения в зоне контакта.

Трение без смазки возникает при отсутствии на поверхностях трения тел специально введенного смазочного материала. При трении без смазки дополнительная энергия тратится на преодоление:

• взаимного механического зацепления неровностей (шероховатостей) трущихся поверхностей при их относительном перемещении;
• сил межмолекулярного притяжения;
• явления сваривания отдельных острых выступов поверхностей трущихся пар.

Граничное трение возникает в случае, когда поверхности трения разделены слоем смазки малой толщины (менее 0,1 мкм), не превышающем высоты микронеровностей (шероховатости) поверхности. Коэффициент граничного трения составляет 0,08-0,15. Режим граничного трения очень неустойчив и характеризует предел работоспособности узла трения. Если граничный слой разрушается, а нагрузка превышает силы сцепления смазочного материала с рабочей поверхностью детали, то в месте контакта возникает сухое трение и, как следствие, задиры, заклинивания и другие аварийные повреждения деталей (например, выплавление антифрикционного слоя вкладышей коленчатого вала). Толщина и прочность граничного слоя масла при трении рабочих поверхностей деталей двигателя зависит от химического состава масла и входящих в него присадок, химической структуры деталей и состояния поверхностей трения. При этом работоспособность граничного слоя масла не зависит от его вязкости, а определяется взаимодействием молекулярной пленки масла с трущейся поверхностью металла.

При жидкостном трении смазочный слой полностью отделяет взаимоперемещающиеся рабочие поверхности одну от другой и имеет толщину, при которой проявляются нормальные объемные свойства масла.

Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,003-0,03., что в 50-100 раз меньше, чем при трении без смазки. Сила трения при этом виде смазки зависит только от трения внутренних слоев в смазочном материале.

Устойчивость смазочного слоя, необходимого для жидкостного трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения; скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей; величины и равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; вязкости смазочного материала; площади трущихся поверхностей; величины зазора между трущимися поверхностями; температурного состояния узла трения.

Работа поршневого двигателя сопровождается постоянным процессом изнашивания (Процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердой детали, накопления в ней остаточной деформации или постепенного изменения ее размеров или формы под воздействием трения). Количественной мерой оценки изнашивания является износ, который может выражаться в единицах длины, массы или объема.

Существуют различные виды механического изнашивания:

• абразивное (когда твердые продукты износа, частицы нагара, пыль и другие, попадая в двигатель, вызывают интенсивное изнашивание поверхностей трения деталей и систем смазки);
• усталостное (следствие повторяющегося деформирования микрообъемов материала, из-за которого возникают трещины, и происходит отделение частиц); типичным представителем усталостного изнашивания является питтинг, возникающий при трении качения в шариковых и роликовых подшипниках;
• кавитационное (возникает в условиях кавитации — процесса «схлопывания» пузырьков газа вблизи поверхности трения, создающего местное повышение давления или температуры. При кавитационном изнашивании наружные поверхности гильз цилиндров двигателя покрываются кратерами или вырывами, образовавшимися от разрывов пузырьков);
• коррозионно-механическое (возникает в результате механического воздействия на трущиеся поверхности, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой. Коррозионные разрушения в этом случае развиваются при воздействии на трущиеся поверхности таких агрессивных веществ, как химически активные газы и кислоты).

При изнашивании в процессе работы двигателя могут возникать следующие явления:

• схватывание при трении (прихват) — явление местного соединения двух твердых тел, происходящее при трении вследствие действия молекулярных сил;
• перенос материала — явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго;
• заедание — процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала (заедание может завершиться прекращением относительного движения). Заклинивание двигателя становится следствием схватывания, как правило, коренного либо шатунного подшипника коленчатого вала из-за нарушения жидкостного трения. Возникающее при этом повышение температуры приводит к выплавлению антифрикционного сплава (баббитового или алюминиевого) вкладышей. При этом антифрикционный слой заполняет зазор между трущейся поверхностью вкладыша и шейкой коленчатого вала, что и приводит к заклиниванию вала.
• задир — повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. Задиры на стенках гильз цилиндров двигателей возникают при нарушении подвижности или разрушении поршневых колец.
• царапание — образование углублений на поверхности в направлении скольжения при воздействии выступов тела или твердых частиц;
• отслаивание — отделение с поверхности трения частиц материала в форме чешуек при усталостном изнашивании;
• выкрашивание — образование ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании;
• приработка (процесс) — процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

Для уменьшения интенсивности изнашивания и минимизации энергетических потерь в узлах трения, а также для обеспечения надежности и долговечности подвижных сопряжений двигателей предназначены смазочные материалы.

Смазочными материалами называются продукты органического и неорганического происхождения, которые вводят между поверхностями с целью уменьшения потерь на трение в этом сопряжении. Внешнее трение твердых тел отсутствует. Его заменяет внутреннее трение смазочной среды, составляющей слой, разделяющий эти тела.

Также часто встречаются дополнительные условия, такие как устойчивость к воде и химикатам, совместимость с пластиками или защита от коррозии.

Показатели качества смазочных материалов.

Плотность — объемная масса вещества. Для масел она обычно приводится к температуре +20° С и измеряется в кг/м³. Данная характеристика важна тем, что из-за изменения плотности при различных температурах, в емкость постоянного объема можно залить разное весовое количество (которое будет существенно отличаться при +5°С или +35°С). Необходимо помнить также, что при повышении давления плотность масел возрастает.

Вязкость — (внутреннее трение) — свойства жидких тел оказывать сопротивление их течению — перемещению одного слоя тела относительно другого — под действием внешних сил. Вязкость может быть определена с помощью капилляр-визкозиметра, как время вытекания определенного количества масла из очень узкого сосуда при воздействии силы тяжести. Вязкость может быть выражена в различных единицах вязкости: динамической, кинематической, удельной, условной. Для оценки качества масла необходимы в первую очередь кинематическая и динамическая. Вязкость кинематическая — это отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре. За единицу кинематической вязкости принят Стокс, сотая часть которого называется сантистоксом (cSt, сСт) и имеет размерность мм²/сек. Вязкость динамическая количественно характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев. За единицу измерения принят пуаз, сотая часть которого называется сантипуазом (cP, спз, сП).

Такое название — «пуаз» — дано в честь французского физика Жана Пуазейля, а вязкостью в 1 сПз (почти точно) обладает вода при 20°С.

Индекс вязкости — характеризует степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры. Индекс вязкости выражают в условных единицах. Масла, обладающие более высоким индексом вязкости, предпочтительнее, чем масла с низким индексом. Для минеральных моторных масел значение индекса вязкости обычно не превышает 160, для синтетических — от 170 и выше.

Прокачиваемость — способность масляного насоса прокачать масло при минимальной температуре.

Проворачиваемость — способность стартера проворачивать двигатель при минимальной температуре.

Температура вспышки — это температура, до которой необходимо нагреть масло, чтобы пары его образовали с воздухом взрывчатую смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней открытого пламени. Температура воспламенения — это температура нагрева масла, при которой не только вспыхивают пары масла, если поднести к ним огонь, но и загорается само масло. Оба эти показателя характеризуют огнеопасность масла и указывают на наличие в нем низкокипящих фракций или примесей топлива.

Температура застывания — масла называется температура, при которой масло теряет подвижность в заданных условиях.

Температурой помутнения называется температура, при которой нефтепродукты теряют прозрачность в результате кристаллизации парафина.

Щелочное число. При работе двигателя в масле образуются кислотные соединения. Для их нейтрализации и предотвращения коррозии металлических деталей в масло, при его изготовлении, добавляют присадки, создающие щелочной запас. Величину этого запаса выражают щелочным числом, которое служит для оценки моющей способности масла.

Необходимо отметить, что для бензиновых и дизельных двигателей применяются смазочные материалы с различными свойствами. Рабочая температура в дизельных двигателях очень высока, механические нагрузки в связи с высоким крутящим моментом повышены, а так же сгорание дизельного топлива само по себе ведет к появлению копоти, отложений, несгоревших частиц и кислотного остатка. Поэтому масло для дизельных двигателей должно обладать сильно выраженными моющими свойствами и высокой щелочностью, хорошими рассеивающими и высокими противоизносными свойствами.

Для бензинового двигателя нужно использовать масло со свойствами, которые могут меняться в зависимости от условий его использования:

• когда двигатель работает при полностью открытом дросселе, например, при взлетном режиме, — значительно повышается его температура. Поэтому используемое моторное масло должно обладать хорошим индексом вязкости;
• в свою очередь, при непродолжительных запусках, относительно низкая температура, наблюдаемая в определенных частях двигателя, способствует процессу конденсации и образованию отложений (шлама). Поэтому масло должно иметь хорошие рассеивающие (дисперсионные) свойства.

Смазочные материалы могут находиться в различных агрегатных состояниях:

• газообразном (воздух или инертный газ);
• жидком (минеральные и синтетические масла, растительные и животные масла);
• пластичном (смазки на базе минеральных или синтетических масел с загустителем, пасты с твердыми материалами на базе минеральных или синтетических масел);
• твердом ( MoS₂ , графит, сульфид цинка).

Применительно к двигателям внутреннего сгорания рассмотрим жидкие, пластичные и твердые смазочные материалы.

Масла как смазочные материалы делятся на три группы:

1. Жирные.
2. Углеводородные, или минеральные.
3. Синтетические масла.

Масла первой группы не могут быть перегнаны ( при атмосферном давлении) без разложения. Все они животного или растительного происхождения и, как показывает химический анализ, состоят, как правило, только из углерода, водорода и кислорода. Масла второй группы называются минеральными, так как они получаются из нефти, или углеводородными, поскольку состоят только из углерода и водорода. Синтетические масла — это особые химические соединения.

Жирные масла при комнатной температуре являются жидкостями. Аналогичные твердые масла называются жирами. Жиры — это глицериды; они могут расщепляться на глицерин и жирные кислоты. Наибольшее практическое значение имеют три жирные кислоты: олеиновая, пальмитиновая и стеариновая. При наличии небольшого количества таких жирных кислот в смазке ее маслянистость существенно повышается.

Некоторые жирные кислоты легко окисляются на воздухе и загустевают или даже затвердевают. Примером могут служить льняное и тунговое масла. Примеры незагущающихся масел — оливковое (растительное) и спермацетовое (животное). Жирные масла входят в смазочные масла лишь в небольших количествах, но широко применяются при изготовлении мыльной основы в производстве консистентных смазок.

…К оглавлению статьи
…Следующая страница